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本文提出了一種不同于現(xiàn)有蒸汽發(fā)電循環(huán)的設計思路，利用水在不同溫度下凝結和汽化的特性，采用冷源熱量回收裝置，構建了一種全新的熱力循環(huán)流程，采用蒸汽凝結、凝結水汽化對等換熱設備，實現(xiàn)熱力循環(huán)中冷源損失的全額回收。該設計改變了朗肯循環(huán)效率低下的現(xiàn)狀，提高了熱力發(fā)電循環(huán)效率，為熱力發(fā)電設備的設計和制造提供了一種全新的思路。

1.問題提出背景

燃煤發(fā)電機組的應用距今已有一百多年的歷史，隨著技術的不斷進步，燃煤發(fā)電機組的工藝流程得以不斷優(yōu)化，新蒸汽的壓力溫度參數(shù)得到不斷提升，效率也得到不斷提高。我國煤炭資源豐富，為燃煤發(fā)電機組的發(fā)展提供了良好的條件，提供了國內超過60%的電力能源，盡管新能源的比重逐漸增大，技術也在不斷進步，但燃煤機組發(fā)電仍將在長期能源格局中占據(jù)重要地位。

燃煤發(fā)電采用蒸汽朗肯循環(huán)（圖1），利用水的相變熱性完成整個熱力發(fā)電過程。水在鍋爐中加熱生成高溫高壓蒸汽，由蒸汽推動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，做功后的蒸汽經冷源凝結成水，然后再進入鍋爐進行加熱，循環(huán)往復，構成朗肯發(fā)電循環(huán)。其中最大的熱量損失為蒸汽的凝結換熱，這部分熱量占到新蒸汽焓值超過60%，導致蒸汽發(fā)電循環(huán)的效率不到40%。盡管我們通過回熱、再熱、二次再熱和提高蒸汽的溫度參數(shù)等各種手段提高熱量利用，目前燃煤發(fā)電機組的效率仍低于50%。

2.蒸汽發(fā)電循環(huán)效率低的原因

如上所述，蒸汽發(fā)電循環(huán)效率的主要原因在于朗肯循環(huán)中存在蒸汽凝結換熱這一過程。在這一過程中做完功的蒸汽進入凝汽器，在循環(huán)水的冷卻作用下蒸汽凝結成水，大量的熱量傳遞給循環(huán)水，經冷卻塔散入大氣。

如新蒸汽參數(shù)為30MPa，630℃，焓值為3535.50kJ/kg，假設蒸汽的凝結溫度為38℃，干飽和蒸汽的焓值為2569.77kJ/kg，凝結成水的焓值為159.14kJ/kg，蒸汽放出的熱量為2410.63kJ/kg。

Q凝/Q新 = 2410.63/3535.50 = 68%

按以上條件，蒸汽凝結放熱占新蒸汽熱量的68%。

盡管蒸汽發(fā)電循環(huán)采用了蒸汽回熱、再熱等手段提高效率，其本質仍是通過減少蒸汽的凝結量，目的仍是減少冷源損失。

冷源損失是蒸汽朗肯循環(huán)效率低的主要原因，在熱力發(fā)電行業(yè)已經是共識。即使是燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，由于蒸汽循環(huán)的存在，效率的提升也受到了限制。

3.冷源熱量回收裝置的設計

3.1朗肯循環(huán)存在問題

由于蒸汽朗肯循環(huán)的效率低，為我們提供了可靠電能的同時，也浪費了大量的煤炭等化石能源。朗肯循環(huán)作為經典的熱力發(fā)電循環(huán)，百年來沒有得新的突破，并被很多科研單位、學術研究人員奉為經典，趨于被神話的狀態(tài)。

為了改變這一現(xiàn)狀，提出一種冷源回收裝置的設計思路，采用這一設計改變熱力發(fā)電循環(huán)現(xiàn)狀。其核心設計思路是，通過對蒸汽凝結熱量的反向凝結水汽化吸熱實現(xiàn)熱量的回收利用。

朗肯循環(huán)采用水作為工質，其目的是利用水的相變優(yōu)勢。水作為液體易于壓縮，通過小體積的凝結水泵、給水泵，即可實現(xiàn)高壓，高壓的水進入鍋爐，通過吸熱實現(xiàn)汽化，生成高溫高壓的氣體，為進入汽輪機做功創(chuàng)造條件。做完功的蒸汽不再具有高壓的狀態(tài)，在現(xiàn)有條件下很難直接通過壓縮的方式恢復成高壓，不得不對蒸汽進行換熱凝結。蒸汽的凝結過程中放出大量的汽化潛熱，如果能夠通過更有效的方式對該熱量進行回收，即能提高熱力循環(huán)的效率。

3.2冷源熱量回收裝置的設計思路

冷源熱量回收裝置如下圖3中的低壓凝汽器部分。為了實現(xiàn)蒸汽凝結熱量的回收，必須需要相應的溫差作為傳熱條件，因此要適當提高汽輪機低壓缸的排汽參數(shù)。如圖所示，假設低壓缸排汽溫度為0.1MPa，100℃，蒸汽在該參數(shù)下進入凝汽器放熱凝結，則需要凝汽器另一側溫度更低的冷卻介質才能完成換熱。假設另一側冷卻時的溫度為80℃，則能夠實現(xiàn)蒸汽側向水側的順利傳熱。

可將低壓凝汽器設計為豎向列管布置，蒸汽從汽輪機低壓缸排出向下進入列管，在管外冷卻水的作用下逐漸凝結，并積聚在列管下部水箱。下部水箱與低壓凝汽器的管外側相通，為了實現(xiàn)對蒸汽凝結汽化潛熱的吸收，需要在低壓凝汽器的管外側實現(xiàn)負壓環(huán)境，利用射水抽氣器將管外側壓力降至絕對壓力0.047MPa，即可實現(xiàn)管外水箱的凝結水在80℃汽化。

水箱里的水不斷吸收蒸汽凝結放出的熱量，逐漸在水箱的上部生成過飽和水和飽和蒸汽，蒸汽經射水抽氣器抽出，維持水箱的負壓狀態(tài)。為了實現(xiàn)熱量的大量吸收，需設計另一路射水抽氣器用于輸送過飽和水，不斷地將吸收了足夠熱量的、即將汽化的過飽和時輸出，送入下一級除氧器設備。通過焓熵圖（圖2）可以看出，在形成過熱蒸汽之前，過飽和水因吸收了大量的熱量，具有更高的焓值。

3.3冷源熱量回收裝置的關鍵點

為了保證蒸汽凝結放熱、凝結水吸熱過程的連續(xù)性，低壓凝汽器應具有足夠的高度，通過水的靜壓實現(xiàn)蒸汽凝結放熱后的過冷度，保證蒸汽連續(xù)的正常凝結。同樣，為了實現(xiàn)凝結水吸熱汽化，需要通過調節(jié)射水抽氣器的入口實現(xiàn)水箱上部真空的相對穩(wěn)定，維持約20℃的傳熱溫差。

通過合理設計回收裝置，能夠實現(xiàn)整個熱力循環(huán)的連續(xù)性，實現(xiàn)低壓凝汽器的兩側的工質凝結、汽化中汽化潛熱的對等熱量交換。

為了實現(xiàn)對鍋爐熱量的充分吸收，可設置低壓蒸汽部分，可設置另一回路合理利用鍋爐尾部煙氣的熱量，生成的低壓蒸汽接入汽輪機低壓缸進行做功。

4.高效蒸汽發(fā)電循環(huán)的構建

4.0準備階段

和現(xiàn)有燃煤蒸汽發(fā)電循環(huán)一樣，為了建立熱力循環(huán)，需要一定的準備條件。如圖3所示，首先通過補水泵向低壓凝汽器水側注水，在達到一定的水位后，開起射水泵1，利用高壓水射流作用向除氧器水箱注水，形成低壓蒸發(fā)器水側和除氧器水箱之間的循環(huán)，其作用是在低壓蒸發(fā)器水側形成真空（絕對壓力0.047MPa），為水側加熱蒸發(fā)創(chuàng)造條件。

4.1高壓循環(huán)工藝流程

如圖3所示，汽輪機低壓缸排汽進入低壓凝汽器，并在低壓凝汽器中凝結，將熱量傳遞給另一側的凝結水，凝結水側在射水抽氣器的作用下形成真空環(huán)境，部分凝結水在吸收熱量后汽化，被1號射水抽氣器抽走。同時凝結水吸收熱量，形成高焓值的過飽和水，被另一路能夠自動調節(jié)水位的2號射水抽氣器抽走，被抽出的水蒸氣和過飽和水送入除氧器，進入除氧器水箱。

除氧器水箱中的水經高壓給水泵送入高壓省煤器，經高壓蒸發(fā)器、高壓過熱器送入汽輪機高壓缸做功。

在高壓缸做完功的蒸汽回到再熱器進行再熱，并被送入汽輪機中壓缸做功。在中壓缸做完功的蒸汽進入汽輪機低壓缸的做功，最后被排入低壓凝汽器。

4.2低壓循環(huán)工藝流程

為了充分利用鍋爐尾部低溫熱量，設置低壓循環(huán)，在低壓凝汽器熱井位置設置小型低壓凝結水泵，經低壓省煤器送入除氧器（低壓汽包），經低壓過熱器后形成低壓過熱蒸汽，送入汽輪機低壓缸做功、

4.3循環(huán)輔助條件設置

為了實現(xiàn)完整的熱力循環(huán)，設置外接補水泵向低壓凝汽器補水，通過低壓蒸汽循環(huán)逐步帶動高壓蒸汽循環(huán)，貫通整個熱力循環(huán)流程。為了維持工質熱量和質量的平衡，設置相應的補水、疏放水進行調節(jié)。

5.小結

朗肯循環(huán)由于有冷源損失的存在，燃煤、燃氣等熱力發(fā)電效率的提高受到了的限制，造成了煤炭等化石能源的極大浪費，同時也加重了環(huán)境污染。利用水在不同壓力、溫度下可實現(xiàn)相變的特性，通過設計特殊結構的低壓凝汽器，采用蒸汽凝結、凝結水汽化的同質量對等換熱，可以實現(xiàn)原朗肯循環(huán)中冷源損失的回收，大幅提高熱力發(fā)電循環(huán)效率。

朗肯循環(huán)在發(fā)電行業(yè)使用多年，通過回熱、再熱、二次再熱等改進循環(huán)已經到了極限，提高過熱蒸汽的溫度、壓力參數(shù)受也到金屬材料的限制，因此在原有方案和設計思路上提高熱力循環(huán)效率很難獲得新的突破。本文從改變熱力循環(huán)冷源利用方面提出了新的設計思路，細化設計，通過試驗研究打通循環(huán)，必將能夠大幅提高熱力發(fā)電循環(huán)效率，在能源供應、節(jié)能環(huán)保方面實現(xiàn)新的突破。